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“Detecção de Meteoros Utilizando Espalhamento para Frente de Ondas

Eletromagnéticas do Tipo VHF”

Aluna: Cristina Schoch Vianna

Orientador: Bernard M. Maréchal

Defesa de Dissertação de Mestrado

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Tópicos

• Introdução;• Modulações AM, FM e sua utilização em transmissão de televisão e

de sinais de aeroportos;• Meteoros;• Sistema de Aquisição de Dados:

– UFRJ;– BNL.

• Antenas Utilizadas;• Calibração do Sistema de Aquisição de Dados;• Sinais Provenientes de Diferentes Fontes:

– Aviões;– Meteoros: Caudas sub-densas e super-densas;– “Eventos Estranhos”.

• Conclusão e Próximos Passos.

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Introdução

• Objetos Refletores:– Meteoros;– Aviões;– Relâmpagos;– Raios Cósmicos.

A técnica “Radio Metor Scatter” (RMS) é utilizada para estudo de diversas características de meteoros e micro-meteoros, e permite, com uma única antena, cobrir uma área de 106 km2.

• MARIACHI (Mixed Apparatus for RADAR Investigation of Cosmic-Ray of High Ionization) – BNL – EUA;• DRACON (Detecção de Raios Cósmicos utilizando ONdas eletromagnéticas) – UFRJ – Brasil.

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Espectro de Rádio Freqüência• Ondas de Alta Freqüência (HF) – 3 a 30 MHz

– Refletem na atmosfera terrestre, retornando à superfície terrestre;

– Utilizadas para comunicação em grandes distâncias por radioamadores.

• Ondas de Freqüência Muito Alta (VHF) – 30 a 300 MHz– Não refletem na atmosfera terrestre, sendo restritas a

área local;– Utilizadas por transmissões de rádio FM, televisão

aberta, balizas de aviões, etc.

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Modulação – Métodos e Utilização

• Modulação em Amplitude;

• Modulação em Ângulo:– Modulação em Freqüência (NFM, WFM);

• Transmissões:– Televisão;– Aeroportos.

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Modulação em Amplitude (AM)

tftVVtV pmpAM 2cos

p

m

V

VM

tfftff

MtfVtV mpmpppAM 2cos2cos

22cos

Definição:

• Vp – amplitude da tensão do sinal da portadora;• fp – freqüência do sinal da portadora;• Vm(t) – tensão do sinal modulante.

)tf2cos(V)t(V mmm

Definindo:

• fm – freqüência do sinal modulante.

Temos que:

Se:

7

Modulação em Amplitude (AM)

8

Modulação em Ângulo

Definem-se :

tcosVV pANG

dt

d

2

1)t(f

• Vp – amplitude da tensão do sinal da portadora;• (t) – ângulo do sinal modulado;• f (t) – freqüência do sinal modulado.

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Modulação em Freqüência

Definição:

tcosVkff mmfpFM

• kf – sensitividade de freqüência do sinal modulante.Define-se:

m

mff f

Vkm

Obtém-se que:)tsen(mt)t( mfpFM

Logo:)]tsen(msen[)tsen(V)]tsen(mcos[)tcos(V)t(V mfppmfppFM

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Narrow-band FM (NFM)

Se mf << 1:

)tsen(m)]tsen(msen[

1)]tsen(mcos[

ffmf

mf

Então:

]}t)cos[(]t){cos[(Vm2

1)tcos(V)t(V mpmppfppFM

Que é similar à tensão do sinal AM, tendo uma fase na banda inferior.

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Wide-band FM (WFM)mf >>1:

}t2tcost2tcosmJ

ttcosttcosmJtcosmJ{V)t(V

mpmpf2

mpmpf1pf0pFM

Onde:

1n2n!22

m

1n!12

m

1!n

1

2

m)m(J

4

f

2

fn

ffn

12

Wide-band FM (WFM)

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Transmissão de Televisão

Canal Faixa de Freqüência (MHz)

2 54-60

3 60-66

4 66-72

5 76-82

6 82-88

7 174-180

8 180-186

9 186-192

10 192-198

11 198-204

12 204-210

13 210-216

• Envia simultaneamente os sinais de áudio (FM) e vídeo (AM);• Largura de banda de 6 MHz;• Para impedir interferência a portadora de áudio e de vídeo estão separadas de 4.5 MHz;• Pelo mesmo motivo, as portadoras de luminância (informação referente ao brilho e contraste) e crominância (informação referente à cor) estão separadas de 3.58 MHZ.

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Baliza VOR de Aeroporto

• Opera em VHF (108.0 a 117.95 MHz) com largura de banda de 50 kHz;

• Sinal de referência:– Modulado em amplitude;– Omnidirecional;– Envia um sinal senoidal com freqüência de

30 Hz.

• Sinal variável:– Modulado em freqüência;– Obtido por irradiar o sinal de 48 antenas 30

vezes por segundo.

• Possui uma sub-portadora de 9960 Hz para separar os dois sinais;

• Envia o Código Morse da identificação do aeroporto.

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Os Meteoros• São classificados em

dois tipos:– Esporádicos:

• Vistos por todo o ano;

– Periódicos ou Chuvas de Meteoros:

• Vistos durante alguns dias do ano e parecem originar de um único ponto ou pequena área do céu (radiante);

• São conhecidos pela constelação da qual parece se originar.

Chuva Período de Visibilidade

Quadrantídeos 1 a 4 de Janeiro

Lirídeos 19 a 24 de Abril

Aquarídeos 21 de Abril a 12 de Maio

Arietídeos 29 de Maio a 19 de Junho

Aquarídeos Austrais 21 de Julho a 15 de Agosto

Perseídeos 15 de Julho a 17 de Agosto

Orionídeos 18 a 26 de Outubro

Taurídeos Austrais 18 de Setembro a 15 de Dezembro

Leonídeos 14 a 20 de Novembro

Geminídeos 7 a 15 de Dezembro

Ursídeos 17 a 24 de Dezembro

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Variação da Incidência de Meteoros• De manhã :

– Meteoros com direção oposta à Terra;

– Meteoros com mesma direção, porém com velocidade menor que a Terra:

• De noite:– Meteoros com mesma direção

da Terra, porém com velocidade maior que a Terra.

s/km30V1

s/km30V2

A massa terrestre aumenta em torno de 105 Toneladas por ano devido a incidência de meteoros.

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Parâmetros das Caudas de Meteoros• Altitude:

– Depende da velocidade, massa e ângulo zênite do meteoro;

– Geralmente:

• Comprimento:– Depende da massa e do ângulo

zênite;

– Meteoros esporádicos:

– Meteoros periódicos:

• Raio Inicial:

– Pode ser aproximado por:

• a – massa média dos átomos da atmosfera;

• – velocidade do meteoro;

• a – densidade atmosférica.

• Difusão:

km120hkm80

km15ocompriment

km50ocompriment

m35.4rm55.0 0

a

8.0a12

0 10x58.2r

tD4rr a20 ma

aa

kT

8

7D

• Da – coeficiente de difusão;• k – constante de Boltzmann;• T – temperatura;• m – massa média dos átomos;• = 7 x 10-19 m2.

6.5h067.0Dlog a10 Em um segundo o raio varia de 2 a 20 metros.

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Reflexão de Ondas Eletromagnéticas

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Reflexão de Ondas Eletromagnéticas• Não se leva em consideração a contribuição dos íons;• Os életrons livres da cauda oscilam com a Freqüência de Langmuir (Freqüência

de Plasma):

• Dois casos:– Caudas Sub-densas: N < Ne. O espalhamento é feito individualmente por cada

elétron;– Caudas Super-densas: N > Ne. Reflete completamente a onda incidente e a cauda é

tratada como um cilindro refletor.• Para os Canais 2 (fpv = 55.25 MHz) e 4 (fpv = 67.25 MHz), o limite entre as

caudas ocorre quando Ne = 3.86 x 107 cm-3 e Ne= 5.61 x 107 cm-3.• A freqüência ideal está entre 50 a 120 MHz;

• Abaixo de 30 MHz, a ionosfera reflete as ondas de rádio.

• Acima de 120 MHz, a capacidade de reflexão da cauda diminui.

e0

2e

p m

eN

20

Reflexão de Ondas Eletromagnéticas• A recepção ocorre quando há interferência;

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Reflexão de Ondas Eletromagnéticas•Conhecendo-se o tamanho das zonas de Fresnel, pode-se determinar:

–Posição da enésima zona de Fresnel:

–Velocidade do meteoro:

•Logo, para determinar a velocidade devem ser conhecidos:

–Distância entre o receptor e o transmissor ao ponto de reflexão;

–Ângulo de espalhamento da onda eletromagnética.

22

RT

RT

cossen1RR

RRn)n(s

22

RT

RT

mn cossen1RR

RRn

t

mn)n(

22

Simulação de Caudas Sub-densas e Super-densas

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Vantagens do Método de Rádio• Independente das condições meteorológicas;

• Pode-se adquirir dados 24 horas por dia;

• Detecta meteoros muito pequenos (microgramas);

• Baixo custo do sistema;

• Fácil instalação;

• Ampla região coberta (aproximadamente 106 km2);

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Sistema de Aquisição de DadosUFRJ

• É composta por:– Duas antenas Yagi, ortogonais entre si, de 3 elementos cada,

calibrada para a freqüência de 63 MHz;

– Um receptor ICOM PCR-1000;

– Uma placa de som Delta 1010LT;

– Um GPS Deluo

• Esta estação está operante.

• Uma nova antena V-beam está em construção.

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Sistema de Aquisição de DadosLaboratório Nacional de Brookhaven

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Antenas Utilizadas• Yagi:

– Possui 3 elementos: um excitador, um refletor e um direcionador.

– É uma antena de alto ganho;– O comprimento e o diâmetro de cada

elemento dependem da freqüência operante da antena.

– Possui uma faixa de freqüência extreita.

• Bicônica:– Possui 2 elementos cônicos que apontam

em direções opostas;– Opera na faixa de freqüência de 30 MHz a

300 MHz.

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Espectrograma• Representa a evolução da

freqüência de um sinal em função do tempo, com valores de amplitude indicados por uma escala de cores ou de cinza.

• Pelo Teorema de Nyquist, a freqüência máxima é igual a metade da taxa de amostragem da placa de som.

• Para evitar distorções deve-se escolher um filtro passa-banda de largura menor que a freqüência máxima

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Calibração do Sistema de Aquisição

• Estudar a resposta do sistema à sinais de diferentes durações:– Raios cósmicos:

– Meteoros:

s50ts20

s1.0t

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Calibração do Sistema de Aquisição

Resposta do sistema para sinais de diferentes durações.

Espectrograma obtido para um sinal emitido de 20 microsegundos de duração

Espectrograma obtido para um sinal emitido de 500 milisegundos de duração

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Características do Sinal para Análise• Aviões:

– Efeito Doppler;– Sinais com duração de alguns minutos;– Raio de 500 km.

• Meteoros: – Caso a reflexão ocorra pela cauda não há Efeito Doppler;– Sinais com duração de décimos de segundos a algumas dezenas de segundos;– Raio de 1000 km, correspondente a um área de 106 km2.

• Raios Cósmicos: – sinais com duração da ordem de dezenas de microsegundos;– Raio 300 km, correspondente a uma área de 105 km2;– Para raios cósmicos ultra-energéticos, significa aproximadamente 105 eventos

por ano. O Auger possui uma área coberta de aproximadamente 3000 km2, equivalente a 103 eventos de raios cósmicos ultra-energéticos por ano.

• Relâmpagos e Raios, e-clouds, OVNIs, etc.

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Aviões• A freqüência da onda recebida é dada pelo efeito

Doppler Relativístico, que pode ser aproximado para:

• Onde:– ra = vetor posição do avião;– rt = vetor posição da estação transmissora; – fr = freqüência da onda recebida;– ft = freqüência da onda transmitida;– va = velocidade do avião;– c = velocidade da luz.

• Quando o avião estiver muito distante de ambas estações:

c

v

rr

rr

r

rff a

ta

ta

a

at

tr fff

c

v21ff a

tmax

c

v21ff a

tmin

ta r//r

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Sinais Provenientes de Aviões

• (a) e (b) – “eventos estranhos”;• (c) – sinal variável de freqüência 30 Hz do VOR;• (d) – terceiro harmônico do sinal de freqüência de 30 Hz do VOR;• (e) – avião mudando de direção;• (f) e (g) – avião.

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Sinais Provenientes de Meteoros

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Sinais Provenientes de MeteorosCaudas Sub-densas

• (a) Cauda sub-densa se afastando da estação receptora;• (b) Cauda sub-densa se aproximando da estação

receptora;• (c) Longa cauda sub-densa.

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Sinais Provenientes de MeteorosCaudas Super-densas

• (a) Cauda super-densa;• (b) Cauda sub-densa ou fragmentação da cauda super-densa.

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Sinais Provenientes de MeteorosCaudas Super-densas

• Observa-se o efeito doppler causado pela reflexão na cabeça de ionização da cauda do meteoro;• A interferência de ondas provenientes de diferentes pontos de reflexão produzem as oscilações observadas.

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Lirídeos

• Ocorreu no período de 16 a 25 de Abril.

• Obtém-se um máximo durante o dia, por volta de 11 horas da manhã;

• A incidência máxima ocorreu em 22 de Abril, com mais de 200 meteoros por hora;

• Observa-se um aumento na contagem no dia 25 de Abril, devido à Chuva Pi-Puppids;

• Extensão do campo de meteoros de aproximadamente 13 x 106 km;

• Adquirir dados nos próximos anos para observar se o campo de meteoros está se alterando.

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Sinais Obtidos na Estação da UFRJ

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Eventos de Curta Duração• Com a calibração do sistema obtivemos a resposta do sistema

para a aquisição de um sinal de curta duração;

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Eventos de Curta Duração• Foram obtidos vários eventos deste tipo:

As diferenças entre os sinais podem ser devido a diferenças de energia, ângulo de incidência ou altura dos chuveiros cósmicos.

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Contagem em um Período de 24 Horas

• Não apresenta variação diária significativa.

• Média:

hora/eventos5.31.15

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Conclusão e Próximos Passos• Foi possível detectar meteoros de caudas sub-densas e

super-densas com o sistema de aquisição de dados utilizado;• Detectaram-se as Chuvas Lirídeos e Pi-Puppids;• Comparou-se as características das reflexões provenientes

de raios cósmicos, meteoros e aviões;• Para estimar a velocidade e altitude dos meteoros são

necessárias mais duas estações de detecção;• A calibração mostra que o sistema detecta eventos cuja

duração é maior que 1 microsegundo;• Alteração da antena, do receptor e do software de aquisição

de dados estão sendo estudadas.

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Conclusão e Próximos Passos• É interessante a aquisição simultânea de chuvas de meteoros nas estações da

UFRJ e do BNL, para verificação de diferentes presenças de meteoros nos Hemisférios Sul e Norte;

• Se esta técnica tiver uma performance similar para os raios cósmicos ultra-energéticos obteremos um fator em potencial na estatística de 103 em relação a técnica convencional por um custo bem menor (aproximadamente 4000 dólares);

• Estamos em contato com experimento AUGER. Usar a estrutura do Auger pode facilitar a verificação da técnica, utilizando-o como trigger;

• Com esta técnica é possível estudar a evolução do chuveiro atmosférico gerado pelo raio cósmico. É interessante notar que o projeto AUGER faz essencialmente o estudo das partículas que chegam a superfície;

• O Projeto LOPES estuda a EMISSÃO de ondas eletromagnéticas pelos raios cósmicos de altíssimas energias ao contrário dos projetos MARIACHI e DRACON que estudam reflexão de ondas eletromagnéticas em raios cósmicos de altíssimas energias.

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Agradecimentos• Ao Hélio Takai, do Laboratório Nacional de

Brookhaven, por todo o apoio fornecido para a realização deste trabalho;

• Ao meu orientador Bernard M. Maréchal;

• Ao professor Fernando Marroquim pela ajuda durante a elaboração do projeto;

• Aos órgãos fundadores CNPQ, CAPES e FAPERJ, que investiram no projeto;